Wetenschap
Verafschuwd door wetenschappers, geliefd door de natuur:Zwavel en de oorsprong van het leven
Veel kunstenaars hebben geprobeerd weer te geven hoe de aarde er miljarden jaren geleden uit zou kunnen hebben gezien, voordat het leven zijn intrede deed. In veel scènes worden met sneeuw bedekte bergen ingewisseld voor lava-stromende vulkanen en een blauwe lucht voor bliksemschichten die vanuit een wazige lucht op wat er beneden ligt, beuken.
Maar hoe zag de vroege aarde er eigenlijk uit? Deze vraag is al tientallen jaren het onderwerp van intensief wetenschappelijk onderzoek.
Een publicatie onder leiding van Sukrit Ranjan, een assistent-professor aan het Lunar and Planetary Laboratory van de Universiteit van Arizona, richt de schijnwerpers op zwavel, een chemisch element dat – hoewel bekend – verrassend resistent is gebleken tegen wetenschappelijke inspanningen om de rol ervan in het ontstaan van het leven te onderzoeken. .
Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift AGU Advances .
"Ons beeld van de vroege aarde is behoorlijk wazig", zegt Ranjan, die de zwavelconcentraties in de wateren en atmosfeer van de vroege aarde onderzoekt. Dezelfde processen die onze planeet bewoonbaar maken – vloeibaar water en platentektoniek – vernietigen voortdurend de rotsen die het geologische record van de aarde bevatten, betoogt hij. "Het is geweldig voor ons omdat het voedingsstoffen recycleert die anders in de aardkorst zouden worden opgesloten, maar het is verschrikkelijk voor geologen in de zin dat het de boodschappers verwijdert."
Het artikel van Ranjan werd geselecteerd als hoogtepunt van de redactie, als erkenning voor "experimenten die uiterst moeilijk uit te voeren waren, maar beperkingen opleverden voor lopende prebiotische chemie-experimenten in het laboratorium."
De kern van de pogingen om het gordijn voor de opkomst van leven op aarde weg te trekken is een concept dat bekend staat als de ‘RNA-wereld’, zei Ranjan, verwijzend naar ribonucleïnezuur, een klasse van moleculen die in elke levende cel aanwezig zijn en cruciaal zijn voor het ontstaan van leven op aarde. tot het leven zoals wij het kennen.
De RNA-wereldhypothese is gebaseerd op een interessant kenmerk van de moderne biologie, namelijk dat van de vier hoofdcategorieën van biomoleculen – aminozuren, koolhydraten, lipiden en nucleïnezuren – RNA de enige is die de rol van een enzym kan vervullen en de opslag en replicatie van genetische informatie, door zelf kopieën van zichzelf te maken. Er is alleen één probleem:het is heel moeilijk om te maken.
"Al zo'n vijftig jaar proberen mensen uit te vinden hoe ze RNA kunnen maken zonder enzymen, en dat is hoe de biologie dat doet," zei Ranjan, en legde uit dat onderzoekers pas de afgelopen vijf jaar niet-enzymatische routes ontdekten om RNA maken.
"Als we RNA kunnen krijgen, zien we aan de verre horizon een pad om al het andere op gang te krijgen", zei hij. "En dit roept de vraag op:was dit molecuul eigenlijk eerder beschikbaar in welke hoeveelheid dan ook? En dit is eigenlijk een grote open vraag."
Onlangs hebben wetenschappers een zoektocht van een halve eeuw voltooid om RNA-moleculen te maken zonder biologische enzymen, een enorme stap voorwaarts in het demonstreren van de RNA-wereld. Deze chemische routes zijn echter allemaal afhankelijk van een kritisch zwavelmolecuul, sulfiet genaamd.
Door gesteentemonsters van enkele van de oudste gesteenten op aarde te bestuderen, weten wetenschappers dat er op de vroege, prebiotische aarde voldoende zwavel aanwezig was. Maar hoeveel daarvan bevond zich in de atmosfeer? Hoeveel daarvan is in het water beland? En hoeveel daarvan eindigde als RNA-producerend sulfiet? Dat zijn de vragen die Ranjan en zijn team wilden beantwoorden.
"Wat gebeurt ermee als het eenmaal in het water ligt? Blijft het lang hangen of verdwijnt het snel?" hij zei. "Voor de moderne aarde weten we het antwoord:sulfiet houdt ervan om te oxideren of te reageren met zuurstof, dus het zal supersnel verdwijnen."
Daarentegen was er, zoals geologisch bewijsmateriaal aangeeft, zeer weinig zuurstof in de vroege atmosfeer van de aarde, waardoor sulfiet zich had kunnen ophopen en veel langer zou kunnen blijven bestaan. Maar zelfs bij afwezigheid van zuurstof is sulfiet zeer reactief, en veel reacties hadden het uit de vroege aardse omgeving kunnen verwijderen.
Eén zo'n reactie staat bekend als disproportionering, een proces waarbij verschillende sulfieten met elkaar reageren, waardoor ze worden omgezet in sulfaat en elementaire zwavel, die niet bruikbaar zijn voor de oorsprong van het leven. Maar hoe snel verloopt dit proces? Zouden er voldoende hoeveelheden sulfieten kunnen zijn opgebouwd om het leven weer op gang te brengen?
"Niemand heeft hier diepgaand naar gekeken buiten andere contexten, vooral op het gebied van afvalwaterbeheer", zei Ranjan.
Zijn team ging vervolgens dit probleem onder verschillende omstandigheden onderzoeken, een inspanning die vijf jaar in beslag nam, van het ontwerpen van de experimenten tot het publiceren van de resultaten.
"Van alle atomen die de prebiotische scheepswerf in voorraad hebben, inclusief koolstof, waterstof, stikstof, zuurstof, fosfor en zwavel, is zwavel misschien wel de meest netelige", schreef Sonny Harman van NASA's Ames Research Center in een perspectiefartikel bij de publicatie. Vanwege hun gretigheid om chemische reacties aan te gaan, zijn "zwavelverbindingen vaak onstabieler, waardoor ze gevaren opleveren voor laboratoriumpersoneel en apparatuur, waardoor de instrumenten verstopt raken en experimenten verpesten."
De nachtmerrie van een laboratoriumtechnicus
In hun opzet losten Ranjan en zijn co-auteurs sulfiet op in water met verschillende niveaus van zuurgraad of alkaliteit, sloten het op in een container onder een zuurstofvrije atmosfeer en lieten het 'verouderen', zoals Ranjan het uitdrukte. Wekelijks mat het team de concentraties van verschillende sulfieten met ultraviolet licht. Aan het einde van het experiment onderwierpen ze ze aan een reeks analyses, allemaal gericht op het beantwoorden van een relatief eenvoudige vraag:"Hoeveel van dit oorspronkelijke molecuul is er nog over en waar is het in veranderd?"
Het bleek dat sulfieten veel langzamer disproportioneel zijn dan wat de conventionele wijsheid beweert. Eerdere studies hadden bijvoorbeeld het idee naar voren gebracht van een zwavelnevel die de vroege aarde overspoelde, maar het team van Ranjan ontdekte dat sulfieten sneller afbreken onder ultraviolet licht dan verwacht. Bij afwezigheid van een ozonlaag in de begintijd van de aarde zou dit proces, bekend als fotolyse, snel zwavelverbindingen uit de atmosfeer en het water hebben gezuiverd, zij het niet zo efficiënt als de overvloedige zuurstof in de wereld van vandaag.
Hoewel het aannemelijk is dat langzame disproportionering ervoor had kunnen zorgen dat sulfieten zich konden ophopen, zou fotolyse dat zeer onwaarschijnlijk hebben gemaakt, behalve in bepaalde omgevingen zoals ondiepe waterpoelen, beschaduwd door UV-straling, vooral als ze werden gevoed door oppervlakteafvoer om minerale schilden te bieden. Voorbeelden hiervan zijn onder meer ondergrondse poelen of carbonaatmeren met gesloten bekkens, depressies zonder drainage waar sedimenten zich ophopen maar water alleen kan verdwijnen door verdamping.
"Denk aan watermassa's zoals het Great Salt Lake in Utah of Mono Lake in Californië," zei Ranjan, eraan toevoegend dat hydrothermale omgevingen naar voren komen als goede kandidaten voor de eerste verschijning van leven. Hier komt grondwater dat opgeloste mineralen bevat in contact met de hitte van vulkanische activiteit, waardoor unieke micro-omgevingen ontstaan die 'veilige ruimtes' bieden voor chemische processen die nergens anders kunnen plaatsvinden.
Dergelijke plekken zijn te vinden op mid-oceanische ruggen in de diepe zee, maar ook op het land, zei Ranjan.
"Een hedendaags voorbeeld hiervan is het Yellowstone National Park, waar we poelen vinden die ondanks de zuurstof veel sulfiet verzamelen", zei hij, "en dat kan gebeuren alleen maar omdat het sulfiet voortdurend wordt aangevuld door vulkanische ontgassing." /P>
De studie biedt mogelijkheden om de hypothese van de beschikbaarheid van sulfiet in de evolutie van de eerste moleculen van het leven experimenteel te testen, benadrukken de auteurs. Ranjan zei dat één onderzoeksgebied hem in het bijzonder enthousiast maakt:de fylogenetische microbiologie, die genoomanalyse gebruikt om de blauwdrukken te reconstrueren van zwavelgebruikende micro-organismen waarvan wordt aangenomen dat ze de oudste fyla op aarde vertegenwoordigen.
Er zijn aanwijzingen dat deze bacteriën energie winnen door sterk geoxideerde vormen van zwavel te reduceren tot minder geoxideerde vormen. Intrigerend genoeg, zo merkte Ranjan op, zijn ze voor de eerste stap afhankelijk van een vrij complexe enzymmachinerie, waarbij sulfaat, de overvloedige ‘moderne’ vorm van zwavel, wordt gereduceerd tot sulfiet, wat erop wijst dat deze enzymen het product zijn van een lang evolutionair proces. Daarentegen is slechts één enzym betrokken bij de omzetting van sulfiet – het voorgestelde sleutelingrediënt in ‘prebiotische plasomgevingen’ – in sulfide.
"Als dit waar is, impliceert dit dat sulfiet in ten minste sommige waterlichamen in de natuurlijke omgeving aanwezig was, vergelijkbaar met wat we hier beweren," zei hij. "Geologen gaan hier nu pas op in. Kunnen we oude gesteenten gebruiken om te testen of ze rijk zijn aan sulfiet? We weten het antwoord nog niet. Dit is nog steeds baanbrekende wetenschap."